大跨多线铁路钢桁梁桥车桥耦合动力分析

2017-04-08熊鹰

城市道桥与防洪 2017年3期

关键词：桁梁车桥桥面

熊鹰

（长沙金霞经济开发区管委会，湖南长沙 410000）

大跨多线铁路钢桁梁桥车桥耦合动力分析

熊鹰

（长沙金霞经济开发区管委会，湖南长沙 410000）

为研究列车通过桥面上设置多线铁路的大跨度钢桁梁桥所激发的车桥耦合振动的规律，以某两联2×84m连续钢桁梁桥为研究背景，将列车视为多刚体动力系统，用空间有限元对桥梁进行离散建模，并将列车、桥梁视为联合动力体系,建立列车与多线钢桁梁桥的车桥耦合动力模型,计算分析列车通过该桥时的桥梁动力响应和列车走行性。研究结果表明：当ICE3高速客车、C62普通货物列车混合编组通过桥梁时，桥梁和车辆的动力响应比单线客车通过桥梁时明显偏大；列车在各种组合工况下通过桥梁时，列车走行性能得到满足，桥梁动力性能良好。

钢桁梁桥；高速列车；货物列车；车桥耦合振动；动力响应

0 引言

在铁路桥梁建设中，各种中小跨度的钢桁梁桥方案常被采用，在已建成的铁路钢桁梁桥中，大部分桥梁的桥面上都只设置单线或者双线铁路，但随着铁路桥梁建设技术的进步，钢桁梁桥上设置两条以上铁路的情况变得多见，这种桥面设置多线铁路的钢桁梁桥的力学性能引发诸多学者的关注并展开研究，取得许多成果。如易伦雄对某大跨度多线钢桁拱桥的设计进行了详细的研究，指出这种桥型适合高速铁路[1]；刘桂红等对某多线连续钢桁梁桥的静力特性进行分析[2]；兰阳等对某多线铁路钢桁梁桥的桥面系与主桁的共同作用进行分析研究[3]。但是目前研究多集中关注于这种桥型的静力性能，而对多线铁路钢桁梁的动力性能以及列车通过桥梁时列车的走行性等则涉及较少，而且值得注意的是，在多线铁路桥中，常常存在高速客车和重载货物列车混合运行的情况，由此激发的车桥耦合振动变得更加复杂，因而有必要对此展开研究。本文以某两联2×84 m多线连续钢桁梁桥为研究背景，建立车辆-桥梁的耦合振动分析模型，重点分析研究货车和客车混合编组行驶于桥上时，桥梁的动力性能和车辆的走行性。

1 研究背景

研究选取的桥梁设计方案为两联2×84 m连续钢桁梁。其主要结构示意如图1和图2所示。钢桁梁桥由三片主桁架组成，每跨主桁由7个节段构成，每个节段长度为12 m，主桁架高度为16 m，宽度为30 m。桥面布置六线铁路，从左向右依次为轻轨铁路单行线、京沪高速铁路双行线、沪蓉铁路双行线、轻轨铁路单行线，从桥面的铁路线路布置可见该桥为典型的高速重载铁路桥梁。

图1 桥梁立面示意图（单位：mm）

图2 主梁横向断面图（单位：mm）

2 车桥耦合振动分析模型的建立

2.1 桥梁、车辆分析模型

采用空间梁单元对钢桁梁桥桁架进行建模，对钢桥面采用空间板单元建模，桥墩采用空间梁元建模，所建立的桥梁有限元模型如图3所示。

图3 桥梁有限元计算模型

建立列车模型时，如果采用三维板，梁单元对机车、车辆进行精细的建模，将导致列车模型的单元数量非常巨大，这对本身就非常复杂的车桥耦合系统进行动力分析十分不利，故目前在建立车辆动力分析模型时，往往将列车视为多刚体动力系统，即列车由车体、转向架、轮对等刚体构成，在适当假设简化[4]后，车体空间振动考虑的自由度有侧摆、侧滚、摇头、点头、浮沉5个；每个转向架同车体同样具有5个自由度；每个轮对只考虑侧摆、摇头2个自由度，故每辆四轴车辆共计5+2× 5+4×2=23个自由度。

2.2 空间振动方程的建立和求解

在建立“列车-钢桁梁”耦合系统空间振动方程时，将桥上行驶列车与桥梁视为整体体系。考虑车辆与钢桁梁桥的空间振动位移的相互关系，计算任意时刻t的桥上列车及桥梁空间振动的弹性总势能。由势能驻值原理及形成矩阵的“对号入座”法则[5-7]，建立t时刻此系统的空间振动矩阵方程:

3 计算结果及分析

根据前述计算原理及所建模型，对该桥面布置多线铁路行车线的大跨度钢桁梁桥的车桥时变系统空间振动响应进行了计算。计算中采用的列车包括德国ICE3动力分散独立式高速客车和C62货车，计算工况说明见表1。客车ICE3的轨道不平顺函数采用德国低干扰轨道谱，货车的轨道不平顺函数采用美国五级谱模。工况1中，ICE3客车运行于京沪高铁左侧线，工况2和工况3为客货混运情况，此时客车运行于京沪高铁左侧线，双线货车对开运行于右侧沪蓉铁路。

表1 计算工况说明

表2 车桥动力分析桥梁主桁节点响应汇总表

3.1 桥梁动力响应

车桥耦合振动分析中关于桥梁的计算结果包括桥梁跨中的竖向位移与横向振幅及加速度，具体详见表2和表3。从表2可见，列车以三种不同工况通过桥梁时，位于桥梁跨中的上弦节点处横向振动位移明显大于下弦，以工况3为例，当单线ICE3+双线C62空载货车通过桥梁时，上弦横向振幅大约是下弦的6.5倍，这是由于该桁梁桥的桁架高度达到16 m，桥梁空间振动的效应非常明显。单线ICE3通过桥梁时，跨中左弦竖向位移大于右弦，而工况2和工况3时，右弦则大于左弦，这些都是由于列车运行在桥梁上时，列车荷载偏载所致。值得注意的是，工况2中当C62货车为满载通过桥梁，桥梁各项动力响应输出数值比工况3时C62以空载通过桥梁所引发的桥梁动力响应要大，如工况2时跨中右弦振动位移为20.46 mm，比工况3的9.98 mm的数值大1倍多，可见由于货物列车的轴重比客车大许多，故虽然货车的运行速度比客车小，但对桥梁动力响应的输出影响却更明显。列车在不同工况条件下通过桥梁，桥梁跨中处的振动加速度敏感度不及位移，工况2时墩顶的横向位移较大。

表3 车桥动力分析桥梁桥面响应汇总表

从表3可见，工况2中桥梁跨中处桥面节点的振动位移和加速度比工况1和工况3大，尤其是竖向动位移。可见通行列车的轴重是影响该钢桁梁桥桥面节点振动响应输出的重要因素。

3.2 车辆动力响应

车辆的振动响应一般包括竖向和横向加速度、轮对最大横向力、轮对脱轨系数、轮重减载率等。表4和表5为列车以不同工况通过桥梁时，列车动车和拖车的动力响应。参考我国现行的车辆响应的评价标准[8-10]，可见脱轨系数最大值为工况3时C62货车的0.63，小于0.8的限值；轮重减载率的最大值为工况3时的C62货车，其值为0.52，小于0.6的限值。因此可以判断列车以三种工况通过桥梁时，安全性指标符合要求，列车通过的安全性能得以保证。值得注意的是，由于C62空车本身的动力学性能较差，所以工况3中的空载货车车辆动力响应要普遍于工况2中的满载的货车。ICE3客车在不同工况中产生的脱轨系数和轮重减载率数值均较小，列车走行安全性能得到很好的保证。

在客货混运典型工况运行条件下，德国ICE3高速客车的动车和拖车横、竖向舒适度指标按其相应的评价标准均达到“良好”标准；货物列车（满载重车编组）的机车和车辆横、竖向平稳性指标按其相应的评价标准均达到“良好”标准；货物列车（空载空车编组）的车辆横、竖向平稳性指标为“合格”标准，这主要由于空车本身的动力学性能较差引起。